RU136162U1

RU136162U1 - TORQUE SENSOR

Info

Publication number: RU136162U1
Application number: RU2013127995/28U
Authority: RU
Inventors: Яков Львович Либерман; Татьяна Сергеевна Ечина
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-12-27

Abstract

Датчик крутящего момента, включающий в себя индикатор момента, корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средняя часть которого выполнена в виде торсиона, первое кольцо с первым зубчатым венцом, установленное на валу перед началом торсиона, и первую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую с первым зубчатым венцом, отличающийся тем, что он содержит второе кольцо со вторым зубчатым венцом, установленное на валу после конца торсиона со стороны, противоположной первому кольцу, вторую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую со вторым зубчатым венцом, первый и второй формирователи импульсов, соединенные, соответственно, с первой и второй считывающими головками, первый и второй элементы дифференцирования, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго формирователями импульсов, RS-триггер, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго дифференцирующих элементов, инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выходом RS-тригтера, и сглаживающий фильтр, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, второй вход соединен со вторым выходом RS-триггера, а выход соединен с индикатором момента, при этом второй зубчатый венец смещен в окружном направлении относительно первого на половину шага зубьев.A torque sensor, which includes a torque indicator, a housing, a shaft mounted rotatably in the housing, the middle part of which is made in the form of a torsion bar, a first ring with a first gear ring mounted on the shaft before the start of the torsion bar, and a first reading head fixed to the housing and interacting with the first gear ring, characterized in that it contains a second ring with a second gear ring mounted on the shaft after the end of the torsion bar from the side opposite the first ring, the second readout a trap fixed in the housing and interacting with the second ring gear, the first and second pulse shapers connected, respectively, with the first and second read heads, the first and second differentiation elements, the inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second pulse shapers, RS -trigger, the first and second inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second differentiating elements, an inverting amplifier, the input of which is connected to the first output of the RS-trigger, and smoothing filter, the first input of which is connected to the output of the inverting amplifier, the second input is connected to the second output of the RS-flip-flop, and the output is connected to the moment indicator, while the second gear ring is shifted in the circumferential direction relative to the first by half a step of the teeth.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам преобразования информации и измерительной техники и может быть использована в системах контроля и управления в машинах различного технологического назначения.The proposed utility model relates to information conversion devices and measuring equipment and can be used in monitoring and control systems in machines for various technological purposes.

В настоящее время датчики, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относятся, в частности, датчики, описанные в книге «В.И. Литвак. Автоматическая аварийная защита в системах управления. - М.: Энергия, 1973». Такие датчики содержат упругий линейно деформируемый элемент, на который наклеивается тензопреобразователь. Этот элемент через рычаг или трос связывают с валом машины, момент на котором измеряется. Элемент измеряет тяговое усилие, развиваемое валом, а тяговое усилие, умноженное на радиус вала, характеризует момент. Подобные датчики момента непригодны для измерения момента в процессе вращения вала. Но этого недостатка лишены другие датчики-аналоги. Таковым является, например, датчик крутящего момента, конструкция которого описана в статье «Lorenz-m.ru/index.php?option=com_content&view=article&Itemid=143». Он содержит вал с утоньшением (термин, приведенный в упомянутой книге В.И. Литвака на стр.53). Это утоньшение образует торсион. На торсион наклеиваются тензопреобразователи. Вал устанавливается в опорах вращения в корпусе. От корпуса на тензопреобразователи подается напряжение питания через коллектор, состоящий из элементов, закрепленных на валу, и из элементов, закрепленных на корпусе датчика. Таким же образом, через коллектор, снимается и выходной сигнал датчика, которым является сигнал тензопреобразователей. При вращении вала крутящий момент на нем определенным образом деформирует торсион. Тензопреобразователи эту деформацию преобразуют в соответствующий сигнал, а сигнал выводится на индикатор или показывающий прибор через коллектор.Currently, sensors similar to the one proposed are known. These include, in particular, the sensors described in the book “V.I. Litvak. Automatic emergency protection in control systems. - M .: Energy, 1973 ". Such sensors contain an elastic linearly deformable element on which a strain gauge is glued. This element is connected through a lever or cable to the machine shaft, the moment at which it is measured. The element measures the pulling force developed by the shaft, and the pulling force multiplied by the radius of the shaft characterizes the moment. Such torque sensors are not suitable for measuring torque during shaft rotation. But this lack of other analog sensors. Such is, for example, a torque sensor, the design of which is described in the article "Lorenz-m.ru/index.php?option=com_content&view=article&Itemid=143". It contains a shaft with thinning (a term given in the aforementioned book of V.I. Litvak on page 53). This thinning forms a torsion bar. Strain gauges are glued to the torsion bar. The shaft is mounted in rotation bearings in the housing. A voltage is supplied from the housing to the strain gauges through a collector consisting of elements fixed to the shaft and from elements fixed to the sensor housing. In the same way, through the collector, the sensor output signal, which is the strain gauge signal, is also taken. When the shaft rotates, the torque on it in a certain way deforms the torsion bar. Strain gauges convert this deformation into a corresponding signal, and the signal is displayed on an indicator or indicating device through a collector.

Описанный датчик позволяет измерять крутящий момент в процессе вращения вала. Это его достоинство. Но, наряду с достоинством он имеет и серьезный недостаток: невысокую надежность, обусловленную использованием двух коллекторов. С этим недостатком пытаются бороться путем применения платиносодержащих контактных элементов коллектора, однако радикально это повысить надежность не позволяет. Последнее можно осуществить лишь исключением коллекторов из конструкции датчика, что сделано, в частности, в датчике модели ЭК-3000, описанном в статье «В. Криммель. «Измерение крутящего момента при помощи датчика и ПК/Сб. статей «Энергосбережение, автоматизации в промышленности, интеллектуальные здания и АСУТП. - М.: Альфа-сенсор, 2010»». Указанный датчик, принятый нами за прототип, включает в себя индикатор момента, корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения (на подшипниках) вал, в средней части которого выполнено утоньшение. На утоньшении, представляющем собой, по сути, торсион, наклеены тензопреобразователи. Подвод напряжения питания к тензопреобразователям и съем сигнала с них осуществляется через два вращающихся трансформатора, у каждого из которых одна обмотка размещена на валу, а другая в корпусе. Таким образом, при использовании датчика коллекторы не требуются, а их заменяют бесконтактные элементы. В дополнении к описанным элементам датчик имеет еще кольцо с зубчатым венцом, установленное на валу перед утоньшением, и считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую с зубчатым венцом. Головка магнитная (с магнитопроводом и катушкой), но может быть выполненной и оптической (с излучателем и фотоэлементом). С помощью головки и зубчатого венца при вращении вала, момент на котором измеряется, можно судить еще и о скорости вращения вала (по частоте импульсов, считываемых головкой при взаимодействии с зубьями венца). В результате при использовании датчика в зависимости от момента, передаваемого валом, тензопреобразователи выдают информацию об этом моменте, причем при этом можно судить о том, как будет меняться момент при изменении скорости вращения вала.The described sensor allows you to measure the torque during the rotation of the shaft. This is his dignity. But, along with dignity, it also has a serious drawback: low reliability due to the use of two collectors. They are trying to deal with this drawback by using platinum-containing contact elements of the collector, however, this does not radically increase reliability. The latter can be done only by eliminating the collectors from the sensor design, which is done, in particular, in the sensor model EK-3000, described in the article "B. Crimmel “Measurement of torque using a sensor and PC / Sat. articles “Energy conservation, automation in industry, intelligent buildings and process control systems. - M .: Alpha-sensor, 2010 "." The specified sensor, adopted by us for the prototype, includes a moment indicator, a housing mounted in the housing with the possibility of rotation (on bearings) of the shaft, in the middle part of which thinning is performed. On the thinning, which is, in fact, a torsion, strain gauges are glued. The supply voltage to the strain gauges and the signal from them are supplied through two rotating transformers, each of which has one winding located on the shaft and the other in the housing. Thus, when using a sensor, collectors are not required, and they are replaced by contactless elements. In addition to the described elements, the sensor also has a ring with a ring gear mounted on the shaft before thinning, and a read head fixed in the housing and interacting with the ring gear. The head is magnetic (with a magnetic circuit and coil), but can be made optical (with a radiator and photocell). With the help of the head and the ring gear during the rotation of the shaft, the moment at which it is measured, one can also judge the speed of rotation of the shaft (by the frequency of pulses read by the head when interacting with the teeth of the crown). As a result, when using a sensor, depending on the moment transmitted by the shaft, strain gauges give information about this moment, and it can be judged how the moment will change when the shaft rotation speed changes.

Датчик - прототип значительно надежней второго из рассмотренных аналогов, имеет более широкие функциональные возможности, но излишне сложен и нетехнологичен. Надежность его, хотя и выше, чем у аналогов, но все же оставляет желать лучшего.The sensor is a prototype much more reliable than the second of the considered analogues, has wider functionality, but is unnecessarily complicated and low-tech. Its reliability, although higher than that of analogues, but still leaves much to be desired.

Задачей предлагаемой полезной модели является дальнейшее повышение надежности датчика момента без сужения его функциональных возможностей. Это можно обеспечить путем исключения из него вращающихся трансформаторов и применения современных средств микроэлектроники.The objective of the proposed utility model is to further increase the reliability of the torque sensor without narrowing its functionality. This can be achieved by eliminating rotating transformers from it and using modern microelectronics.

Технически решение поставленной задачи осуществляется путем того, что датчик крутящего момента, включающий в себя индикатор момента, корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средняя часть которого выполнена в виде торсиона, первое кольцо с первым зубчатым венцом, установленное на валу перед началом торсиона, и первую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую с первым зубчатым венцом, отличается от прототипа тем, что он содержит второе кольцо со вторым зубчатым венцом, установленное на валу после конца торсиона со стороны, противоположной первому кольцу, вторую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую со вторым зубчатым венцом, первый и второй формирователи импульсов, соединенные, соответственно, с первой и второй считывающими головками, первый и второй элементы дифференцирования, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго формирователей импульсов, RS-триггер, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго диференцирующих элементов, инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выходом RS-тригтера, и сглаживающий фильтр, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, второй вход соединен со вторым выходом RS-триггера, а выход соединен с индикатором момента. При этом второй зубчатый венец смещен в окружном направлении относительно первого на половину шага зубьев.Technically, the task is achieved by the fact that the torque sensor, which includes a torque indicator, a housing, a shaft mounted in the housing with rotation, the middle part of which is made in the form of a torsion bar, the first ring with the first gear ring mounted on the shaft before starting torsion bar, and the first reading head, mounted in the housing and interacting with the first gear ring, differs from the prototype in that it contains a second ring with a second gear ring mounted on the shaft after the end of the torsion bar from the side opposite the first ring, the second read head fixed in the housing and interacting with the second ring gear, the first and second pulse shapers connected, respectively, to the first and second read heads, the first and second differentiation elements, the inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second pulse shapers, RS-trigger, the first and second inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second differentiating elements, inver a switching amplifier, the input of which is connected to the first output of the RS-trigger, and a smoothing filter, the first input of which is connected to the output of the inverting amplifier, the second input is connected to the second output of the RS-trigger, and the output is connected to the moment indicator. In this case, the second gear rim is shifted in the circumferential direction relative to the first by half a step of the teeth.

Схема предлагаемого датчика момента показана на фиг.1, а принцип ее работы иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг.2(момент равен нулю) и фиг.3 (момент не равен нулю).The scheme of the proposed torque sensor is shown in figure 1, and the principle of its operation is illustrated by the timing diagrams shown in figure 2 (the moment is zero) and figure 3 (the moment is not equal to zero).

Датчик включает в себя индикатор момента 1, корпус 2, вал 3, установленный в корпусе с возможностью вращения, средняя часть которого выполнена в виде торсиона 4, первое кольцо 5, с первым зубчатым венцом 6, установленное на валу 3 перед началом торсиона 4, и первую считывающую головку 7, закрепленную в корпусе 2 и взаимодействующую с первым зубчатым венцом 6. Он также содержит второе кольцо 8 со вторым зубчатым венцом 9, установленное на валу 3 после конца торсиона 4 со стороны, противоположной первому кольцу, вторую считывающую головку 10, закрепленную в корпусе 1 и взаимодействующую со вторым зубчатым венцом 9, первый 11 и второй 12 формирователи импульсов, соединенные, соответственно, с первой 7 и второй 10 считывающими головками, первый 13 и второй 14 элементы дифференцирования, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого 11 и второго 12 формирователей импульсов, RS-триггер 15, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго дифференцирующих элементов 13 и 14, инвертирующий усилитель 16, вход которого соединен с первым выходом RS-триггера 15, и сглаживающий фильтр 17, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 16, второй вход соединен со вторым выходом RS-триггера 15, а выход соединен с индикатором момента 1. При этом второй зубчатый венец 9 смещен в окружном направлении относительно первого 6 на половину шага зубьев.The sensor includes a moment indicator 1, housing 2, shaft 3 mounted rotatably in the housing, the middle part of which is made in the form of a torsion 4, the first ring 5, with the first gear ring 6, mounted on the shaft 3 before the start of the torsion 4, and the first read head 7, mounted in the housing 2 and interacting with the first gear ring 6. It also contains a second ring 8 with a second gear ring 9 mounted on the shaft 3 after the end of the torsion bar 4 from the side opposite the first ring, the second read head 10 is fixed in housing 1 and interacting with the second gear ring 9, the first 11 and second 12 pulse shapers connected, respectively, with the first 7 and second 10 read heads, the first 13 and second 14 differentiation elements, the inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first 11 and second 12 pulse shapers, RS-trigger 15, the first and second inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second differentiating elements 13 and 14, an inverting amplifier 16, the input of which is connected to the first output of the RS-trigger 15, and cradle filter 17, the first input of which is connected to the output of the inverting amplifier 16, the second input is connected to the second output of the RS flip-flop 15, and the output is connected to the moment indicator 1. In this case, the second gear ring 9 is shifted in the circumferential direction relative to the first 6 by half the pitch of the teeth .

При использовании датчика вал 3 включают в кинематическую цепь, момент в которой измеряется. Корпус 2 датчика закрепляется на стойке неподвижно. При вращении вала 3 считывающие головки 7 и 10, взаимодействуя с зубчатыми венцами 6 и 9, выдают последовательности импульсов, форма которых близка к синусоидальной (фиг.2). Проходя через формирователи 11 и 12 эти импульсы приобретают прямоугольную форму. Далее дифференцирующие элементы 13 и 14 «вырезают» из них передние фронты, в результате чего на входы триггера 15 поступают короткие импульсы, попеременно переключающие его из одного «положения» в другое. Если вал 3 моментом сопротивления не нагружен (фиг.2), то, поскольку зубья венцов 6 и 9 смещены друг относительно друга на полшага, на выходах триггера 15 будет попеременно появляться сигнал «1» (допустим, положительной полярности), занимающий по времени половину интервала между импульсами, поступающими на первый вход триггера. Сигнал «1», появляющийся на первом выходе триггера 15 проходит далее через инвертирующий усилитель 16 и меняет полярность, не изменяясь по уровню. Получается, что за период поступлении импульсов на первый вход триггера 15, на его втором выходе и на выходе инвертирующего усилителя 16 появляется последовательность сигналов положительной и отрицательной полярности, равных по длительности половине периода поступления импульсов на первый вход триггера 15 и равных по уровню (по модулю) друг другу. Это последовательность поступает на сглаживающий фильтр 17, усредняется им, и в результате на выходе фильтра получается нулевое напряжение. Подаваемое на индикатор 1, оно выдает информацию на выходе устройства о том, что измеряемый момент равен нулю. Если вал 3 нагружается некоторым моментом сопротивления (фиг.3), то венцы 6 и 9 из-за деформации торсиона 4 вала 3 друг относительно друга в окружном направлении смещается дополнительно. Это приводит к тому, что на фильтр 17 поступают уже неравные по длительности сигналы «1», отличающиеся лишь полярностью, а один сигнал больший (более продолжительный), а другой меньший (менее продолжительный). На входе фильтра появиться усредненное напряжение, отличающееся от нулевого, причем уровень этого отличия будет пропорционален моменту, а знак - направлению момента. Поступая на индикатор 1, напряжение с выхода фильтра выдаст информацию об этом на выходе устройства. Нагружая вал 3 датчика различными заранее известными моментами по величине и знаку, показания индикатора 1 можно проградуировать, а затем можно будет пользоваться предложенным датчиком как измерительным устройством.When using a sensor, the shaft 3 is included in the kinematic chain, at which the moment is measured. The housing 2 of the sensor is fixed on the rack motionless. When the shaft 3 is rotated, the read heads 7 and 10, interacting with the ring gears 6 and 9, give out pulse sequences whose shape is close to sinusoidal (Fig. 2). Passing through the formers 11 and 12, these pulses acquire a rectangular shape. Further, the differentiating elements 13 and 14 “cut out” the leading edges from them, as a result of which short pulses arrive at the inputs of the trigger 15, alternately switching it from one “position” to another. If the shaft 3 is not loaded with the moment of resistance (Fig. 2), then, since the teeth of the crowns 6 and 9 are offset relative to each other by half a step, the outputs of the trigger 15 will alternately display the signal "1" (for example, positive polarity), which takes half time the interval between pulses arriving at the first input of the trigger. The signal "1" appearing on the first output of the trigger 15 passes further through the inverting amplifier 16 and changes the polarity, without changing in level. It turns out that during the period of pulses arriving at the first input of trigger 15, at its second output and at the output of inverting amplifier 16, a sequence of signals of positive and negative polarity appears, equal in duration to half the period of pulses to the first input of trigger 15 and equal in level (modulo ) each other. This sequence is supplied to the smoothing filter 17, averaged by it, and as a result, a zero voltage is obtained at the output of the filter. Applied to the indicator 1, it gives information at the output of the device that the measured moment is zero. If the shaft 3 is loaded with a certain moment of resistance (figure 3), then the crowns 6 and 9 due to the deformation of the torsion 4 of the shaft 3 relative to each other in the circumferential direction is shifted additionally. This leads to the fact that the filter 17 already receives unequal in duration signals "1", differing only in polarity, and one signal is larger (longer), and the other is smaller (less long). An averaged voltage appears at the input of the filter, which differs from zero, and the level of this difference will be proportional to the moment, and the sign to the direction of the moment. Entering indicator 1, the voltage from the output of the filter will give information about this at the output of the device. Loading the sensor shaft 3 with various previously known moments in magnitude and sign, the readings of indicator 1 can be calibrated, and then it will be possible to use the proposed sensor as a measuring device.

Сравнивая предложенный датчик крутящего момента с прототипом, не трудно заметить, что он существенно проще прототипа. Фильтры 11 и 12 в нем могут быть выполнены на одной типовой интегральной схеме. Элементы 13, 14 и 15 - на второй. Элементы 16 и 17 - на третьей. В нем нет вращающихся трансформаторов и тензопреобразователей, таких, как в прототипе. Таким образом, он реально намного проще прототипа, что обуславливает его более высокую надежность. Повышение надежности составляет технический результат предложения.Comparing the proposed torque sensor with the prototype, it is not difficult to notice that it is much simpler than the prototype. Filters 11 and 12 in it can be performed on one typical integrated circuit. Elements 13, 14 and 15 are on the second. Elements 16 and 17 are on the third. There are no rotating transformers and strain gauges, such as in the prototype. Thus, it is really much simpler than the prototype, which leads to its higher reliability. Improving reliability is the technical result of the proposal.

Claims

A torque sensor, which includes a torque indicator, a housing, a shaft mounted rotatably in the housing, the middle part of which is made in the form of a torsion bar, a first ring with a first gear ring mounted on the shaft before the start of the torsion bar, and a first reading head fixed to the housing and interacting with the first gear ring, characterized in that it contains a second ring with a second gear ring mounted on the shaft after the end of the torsion bar from the side opposite the first ring, the second readout a trap fixed in the housing and interacting with the second ring gear, the first and second pulse shapers connected, respectively, with the first and second read heads, the first and second differentiation elements, the inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second pulse shapers, RS -trigger, the first and second inputs of which are connected, respectively, with the outputs of the first and second differentiating elements, an inverting amplifier, the input of which is connected to the first output of the RS-trigger, and smoothing filter, the first input of which is connected to the output of the inverting amplifier, the second input is connected to the second output of the RS-flip-flop, and the output is connected to the moment indicator, while the second gear ring is shifted in the circumferential direction relative to the first by half a step of the teeth.